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Università degli Studi di Firenze

Facoltà di Architettura

Corso di “Tecniche per le Energie Rinnovabili” Prof. Giorgio Raffellini

a.a. 2003 / 2004

RACCOLTA DEGLI APPUNTI DELLE

LEZIONI DEL CORSO

(Rivisti dal Docente nel Giugno 2004)

Allievi: Pietro Conti

Del Carlo Michela

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INDICE

1. RICHIAMI SULLE UNITÀ DI MISURA UTILIZZATE....... .............................................................................................4

2. ANALISI DEL FABBISOGNO ENERGETICO E DELLE RISORSE DISPONIBILI ....................................................4

2.1 FABBISOGNI ..........................................................................................................................................................................4 2.2 DISPONIBILITÀ DELLE RISORSE............................................................................................................................................5

3. ENERGIA ELETTRICA.........................................................................................................................................................6

3.1 PRODUZIONE D’ENERGIA ELETTRICA ....................................................................................................................................7 3.1.1 Centrale idroelettrica ....................................................................................................................................................7 3.1.2 Centrali termoelettriche ................................................................................................................................................8 3.1.3 Centrali nucleare (reattore ad uranio)..........................................................................................................................8

3.2 PROBLEMATICHE RIGUARDANTI L’ENERGIA ELETTRICA........................................................................................................8 3.3 L’ENERGIA ELETTRICA IN ITALIA ..........................................................................................................................................9

4. QUADRO NORMATIVO ENERGETICO..........................................................................................................................10

4.1 LEGGE 10/91 E DECRETI ATTUATIVI ..................................................................................................................................10 4.2 TERMINOLOGIA ..................................................................................................................................................................10 4.3 DECRETI ATTUATIVI ...........................................................................................................................................................11 4.4 ISOLAMENTO TERMICO ......................................................................................................................................................13

5. L'ENERGIA SOLARE..........................................................................................................................................................15

5.1 CARATTERISTICHE.............................................................................................................................................................15 5.2 UTILIZZAZIONE DELL ’ENERGIA SOLARE..............................................................................................................................16 5.3 “COME FUNZIONA L’EFFETTO SERRA”.................................................................................................................................20

5.3.1.Trasmissione del calore per irraggiamento. ...............................................................................................................21 5.3.2. Sistemi a guadagno solare diretto o indiretto. ...........................................................................................................23 5.3.3 Apporto energetico da energia solare:........................................................................................................................26

6.0 QUADRO CONOSCITIVO DEGLI EDIFICI ESISTENTI DAL PU NTO DI VISTA ENERGETICO......................36

6.1 EDIFICIO COME SISTEMA.....................................................................................................................................................37

7.0 ESEMPI EUROPEI DI EDILIZIA BIOCLIMATICA.......... ...........................................................................................39

8.0 ESEMPI DI BIO-ARCHITETTURA ...............................................................................................................................40

8.1 MANIFATTURA DI HEREND IN UNGHERIA ...........................................................................................................................40 8.2 COMPLESSO EST-GATE .......................................................................................................................................................40 8.3 AUDITORIUM .......................................................................................................................................................................41

9. QUALITA' DELL'ARIA.......................................................................................................................................................41

10.0 ELEMENTI A FORTE TRASMISSIONE ......................................................................................................................42

10.1 QUALITÀ DELL ’ARIA INDOOR ............................................................................................................................................42

11. LE CELLE FOTOVOLTAICHE .....................................................................................................................................43

11.1 ASPETTI ECONOMICI..........................................................................................................................................................43 11.2 INCENTIVI?........................................................................................................................................................................43 11.3 ESEMPI DI INTEGRAZIONE DEL SISTEMA FOTOVOLTAICO IN FACCIATA ..............................................................................44 11.4 ESEMPI DI INTEGRAZIONE SULLE COPERTURE....................................................................................................................44 11.5 ESEMPI DI IMPIANTI FOTOVOLTAICI INTEGRATI : ...............................................................................................................44 11.6 SITI INTERNET ...................................................................................................................................................................45

12. ENERGIA EOLICA ED IDRAULICA .............................................................................................................................45

12.1 GENERALITÀ .....................................................................................................................................................................45

13. ENERGIA DALL’ACQUA .................................................................................................................................................47

13.1 ENERGIA DALL’ACQUA DI MARE .......................................................................................................................................47 13.1.1 ENERGIA DALLE MAREE : ...............................................................................................................................................48 13.2 ENERGIA DALL’ACQUA DOLCE..........................................................................................................................................52

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13.3 IMPIANTI IDRAULICI ........................................................................................................................................................53 13.4 CLASSIFICAZIONI DELLE CENTRALI...................................................................................................................................53 13.5 QUADRO SINTETICO DELLA TECNOLOGIA, DEGLI IMPIANTI E DELLE MACCHINE ................................................................54 13.6 APPLICAZIONI ...................................................................................................................................................................55 13.7 POTENZIALITÀ ...................................................................................................................................................................55 13.8 ASPETTI ECONOMICI..........................................................................................................................................................55

14. ENERGIA GEOTERMICA (= CALORE DALLA TERRA)..... .....................................................................................56

15. IDROGENO E FUEL CELLS ............................................................................................................................................57

16. POMPE DI CALORE..........................................................................................................................................................65

17. COGENERAZIONE............................................................................................................................................................67

17.1 MACCHINE FRIGORIFERE AD ASSORBIMENTO...................................................................................................................68

18. BIOMASSE...........................................................................................................................................................................69

19. CALDAIE A CONDENSAZIONE .....................................................................................................................................70

20. RECUPERATORI DI CALORE ........................................................................................................................................71

21. RISPARMI D’ENERGIA ELETTRICA................... .........................................................................................................74

22. CERTIFICAZIONE ENERGETICA DEGLI EDIFICI : ....... .........................................................................................75

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1. RICHIAMI SULLE UNITÀ DI MISURA UTILIZZATE Unità di potenza : W (watt) = J / s , cioè Joule/secondo = energia / tempo , Unità di energia consumata KWh (chilowattora) = (kJ/s * 3600 s ) = 3,6 MJ , dove : k (chilo) = 103

M (mega) = 106

G (giga) = 109

T (tera) = 1012

1 TEP( Tonnellata di Petrolio Equivalente ) = circa 7,3 Barili di Petrolio= 11628 kWh 1 kWh ( potenza x tempo = misura di energia) = equivalente a 8 grammi di petrolio potenziali Equivalenze tra fonti energetiche

bep tep tec km3 gas

1 bep (BARILE EQUIVALENTE DI PETROLIO ) 1 0,137 0,196 0,167

1 tep (tonnellata equivalente di petrolio) 7,3 1 1,429 1,212

1 tec (tonnellata equivalente di carbone) 5,11 0,7 1 0,840

1.000 m3 gas 6,023 0,825 1,190 1

2. ANALISI DEL FABBISOGNO ENERGETICO E DELLE RISORS E DISPONIBILI 2.1 Fabbisogni Il fabbisogno energetico usualmente si misura in TEP. La sigla TEP indica le tonnellate equivalenti di petrolio, ed è in sostanza un'unità di misura dell'energia potenzialmente utilizzabile. Infatti l'umanità potrà usare anche altre fonti energetiche, ma per queste stime di max la loro potenzialità energetica viene rapportata al potere calorifico del petrolio, in modo da poter usufruire di una scala di misura unica. La stima del fabbisogno energetico mondiale fino al 2050 è approssimativamente di 500 miliardi di TEP, che corrisponde a circa il doppio delle riserve di idrocarburi attualmente disponibili. Questa è una prima seria nota di allarme, senza tener conto del fatto che la maggior parte delle riserve di petrolio attualmente conosciute sono situate in aree geografiche politicamente instabili (Arabia e Medio Oriente). Il petrolio viene estratto dai giacimenti, ma non è quasi mai lavorato sul posto, dunque viene trasportato con le navi o attraverso gli oleodotti, cioè lunghissimi sistemi di tubature, con stazioni di pompaggio disposte circa regolarmente a distanza di qualche km lungo il percorso. Una volta giunto negli stabilimenti di lavorazione il petrolio viene sottoposto a trattamenti termochimici nelle torri di distillazione. Il termine tecnico che indica queste lavorazioni è "cracking": a seconda del tipo di cracking cui è sottoposto il greggio si ottengono in percentuali variabili benzine, gasoli, nafte e bitumi di scarto, che sono molto viscosi. E' importante ricordare che tutte le plastiche sono derivati del petrolio, così come il bitume e molte altre materie molto diffuse. Dunque si può dire che la società in cui viviamo si nutre di petrolio. Basti pensare che nel consumo mondiale complessivo, i combustibili solidi incidono per 1/4, i gas naturali per poco meno di 1/4, l'energia nucleare per il 6,4% e tutto il resto spetta al petrolio. Gli Stati Uniti consumano oggi circa il doppio dell'energia dei Paesi Europei, infatti il consumo pro-capite annuo negli USA è di 8 TEP, mentre in Francia, Germania, Gran Bretagna e Giappone è di 4 TEP, mentre in Italia è di circa 3 TEP. Il consumo in Italia si mantiene più basso rispetto ad altri paesi europei per un minor sviluppo industriale, ma anche grazie ad una recente più accorta politica economica.

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I consumi di energia primaria nei principali Paesi del Mondo dal 1970 al 1996 sono costantemente aumentati ma con cali della percentuale di aumento, eccezion fatta per molti paesi in via di sviluppo dove il fabbisogno è in costante aumento. Secondo le previsioni (che notoriamente hanno valori anche assai diversi tra loro a seconda dell'orientamento politico-economico dell'ente che le pubblica) per il 2020 lo sviluppo mondiale dei consumi di energia dovrebbe aumentare da un minimo di 11.400 ad un massimo di 15.400 MTEP (megaTEP = 106 TEP). Conseguentemente si registrerebbe ad esempio un aumento delle emissioni di CO2 dalle attuali 6.000 Mtonnellate a circa 10.000 Mt con conseguenti preoccupanti effetti inquinanti. 2.2 Disponibilità delle risorse Dal 1973 al 1990 le riserve accertate di petrolio degli USA sono dimezzate, mentre quelle del SudAmerica sono aumentate grazie alla scoperta di nuovi giacimenti, così come in Medioriente dove sono raddoppiate. Il problema è che la scoperta di nuove riserve non aumenta proporzionalmente all'aumento dei fabbisogni, dunque continuando di questo passo si stima che il petrolio disponibile potrebbe finire al massimo tra 30 anni. Per quanto riguarda il gas naturale ed il carbone (che permettono utilizzazioni alternative nella combustione rispetto al petrolio), invece, c'è meno penuria ma il primo viene consumato molto rapidamente, mentre l'altro è molto inquinante. In particolare l'energia elettrica è tra le più pregiate perché permette numerosissime applicazioni ed è facilmente distribuibile. La penetrazione dell'energia elettrica (ossia la parte del fabbisogno energetico coperta dall'energia elettrica) nel mondo è in media il 37%. L'Italia copre il 37% della richiesta nazionale di gas naturali con le proprie risorse, e deve importare il resto, per quanto riguarda il carbone ed i combustibili solidi, invece ha una produzione quasi nulla. Per l'importazione di gas naturali ci sono i grandi metanodotti che vanno in Russia, Algeria, Olanda; sono grandissime opere, con tubazioni che passano sotto mari e fiumi, ma hanno il difetto di essere molto “fragili” in quanto su un percorso di 6000 km può bastare poco a bloccarle ed è difficile controllarle. L'Italia compra il gas naturale anche dalla Libia, ma non attraverso un metanodotto perché fino a qualche anno fa non c'erano rapporti politici favorevoli, così esso viene trasportato da navi metanifere che tengono il liquido in serbatoi a bassissima temperatura. Questo tipo di trasporto, però richiede molta cautela, perché una percentuale del 7 - 15% di metano nell'aria è miscela esplosiva, dunque si odorizza il gas per potersi accorgere il prima possibile di eventuali fuoriuscite. In Italia attorno all’anno 2000 si producono in tutto circa 34 MTEP, se ne importano 157, ed esportano 17 (ma solo dopo averli importati e lavorati, dunque vengono anche quelli dall'estero). Il consumo interno lordo è di 174 MTEP. Le previsioni per l'Europa fino al 2020 sono di un aumento dei consumi accompagnato, però, da un calo della produzione. In Italia la media dei consumi del settore residenziale è del 15-20% dei consumi totali, con valori minori al sud in virtù del clima più caldo. I valori dei consumi legati al residenziale e al terziario, infatti, sono in gran parte dovuti al riscaldamento e al condizionamento. Quest'ultima voce in particolare, con l'avvento dei condizionatori d'aria, ha subito negli ultimi anni un aumento considerevole, tanto che in alcune località turistiche, ma in generale in tutto il Paese, si registrano consumi estivi confrontabili con quelli invernali. In Italia l'energia è al primo posto pressoché costantemente sulla bilancia dei pagamenti in uscita, soltanto a volte in estate scendeva al secondo. La previsione di domanda energetica per il 2010 annuncia un aumento, dunque, se non ci saranno sviluppi imprevisti della produzione energetica nazionale, le importazioni sono destinate ad aumentare proporzionalmente. Per legge è obbligatorio il "bunkeraggio", ossia l'immagazzinamento di una certa quantità di materie energetiche in luoghi sicuri, escludendola dalla distribuzione, in modo che sia garantito un minimo di autosufficienza per brevi periodi di crisi. La quota attuale di materie energetiche destinate al bunkeraggio è di circa 4 MTEP sui 174 totali di consumo interno lordo.

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N.B. In Italia dei 174 MTEP di consumo interno lordo se ne importa l’80% circa. 3. ENERGIA ELETTRICA In Italia si ricava poca en. dalle fonti idro–geo–rinnovabili; in Toscana l’utilizzo dell’en. geotermica è alta per Larderello. Austria e Svezia hanno molte centrali idroelettriche. La Francia utilizza molto le centrali nucleari. In Italia avevamo alcune centrali nucleari (Ispra, Caorso, …) ma poi le abbiamo chiuse. Il pericolo rimane comunque, basti pensare all’incidente di Chernobil nel 1986, che pur distante da noi 1500 Km ha comportato effetti di qualche preoccupazione. Saldo import-esport elettrico: in Austria è nullo perché è in grado di provvedere al proprio fabbisogno soprattutto mediante centrali idroelettriche, la Francia, con tante centrali nucleari, esporta, l’Italia importa molto (più del 20% del suo fabbisogno). Il consumo e quindi la richiesta di energia elettrica sta aumentando in tutti i paesi industrializzati tra cui l’Italia. Nel nostro paese la domanda di energia elettrica nel ’94 era pari a 254 miliardi di kWh, con un aumento del 2,9 % rispetto al ‘93 e del 34% nell’ultimo decennio. In Italia c’è la più bassa penetrazione elettrica, cioè la quota parte del fabbisogno di energia coperto dall’energia elettrica. Anche il consumo pro capite, circa 3 TEP/anno, è uno tra i più bassi dei paesi industrializzati; la media mondiale del consumo pro capite è circa 1,5 TEP/anno. La situazione italiana non è particolarmente felice perché ha un’elevata dipendenza dall’estero (per la fornitura di energia elettrica compra parecchio dalla Francia) e una scarsa differenziazione delle fonti di produzione. N.B. Differenza tra potenza e consumo L’impegno di potenza max erogata dalla ditta erogatrice di energia elettrica viene stabilito per contratto ed è espresso in KW (ad esempio nelle civili abitazioni la potenza è generalmente pari a 3 kW). Il consumo è energia, cioè potenza in un determinato intervallo di tempo, ed è espresso in kWh. Ad esempio un complesso come Santa Verdiana consuma 10-12000€ al mese di energia elettrica. All’utente l’energia elettrica costa circa 200 Lire = 0,10€ al KWh. Quindi in casa posso prendere molta energia ma non tutta la potenza che voglio. Infatti, l’Enel crea dei condotti di distribuzione (fili, cavi) in previsione del numero degli utenti e della potenza max da loro richiesta in una determinata zona; ad esempio se ho una strada con 10 utenti con contratti da 3 KW ciascuno, l’Enel prevederà un conduttore da 30 KW. In ogni produzione di energia ne viene persa una certa quantità già alla produzione: per quella termoelettrica la perdita si aggira intorno al 30 %. Un altro problema dell’energia elettrica è che non è cumulabile, è istantanea, quindi tutta quella prodotta quando non c’è richiesta viene dispersa. Se al posto delle centrali termoelettriche, che funzionano sempre allo stesso regime, si fossero potenziate quelle idroelettriche, che possono funzionare a seconda delle reali necessità, questo problema verrebbe superato. Poi, l’energia elettrica deve essere trasportata e durante il trasporto ne viene persa circa un 30%, la perdita è inversamente proporzionale alla differenza di potenziale, quindi il trasporto è bene avvenga ad alta tensione. In Italia si trasporta en. el. ad alta tensione (per le linee principali di solito a 130 KV); più è elevata la tensione minore è la perdita. Con il trasporto ad alta tensione si perde circa 1/3 di energia, se la trasportassi a 20V ne perderei il 99%. L’energia elettrica si trasporta o per linee aeree sospese, o per cavi interrati, e comunque con reti molto costose, basti pensare ad esempio che un traliccio ad alta tensione

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costa più di 50.000€, mentre interrare i cavi non ha un costo molto elevato, sono i cavi stessi e la loro protezione a costare parecchio. Il valore di mercato dell’energia elettrica cambia a secondo del momento della giornata, cioè se c’è più richiesta o meno (vedi fig.). L’Enel ha quattro fasce orarie di prezzo, durante la notte l’en. costa un quinto del prezzo corrente.

diagramma di carico giornaliero in una città medio-piccola durante un giorno feriale Lampade a risparmio energetico Le lampade fluorescenti compatte con alimentatore integrato elettronico per attacchi usuali più economici, sono caratterizzate da:

� Durata pari a 6 anni (con l’accensione media di circa 3 ore al giorno9; � Un prodotto di qualità per l’impiego domestico; � Circa 75% di risparmio energetico rispetto alle lampade ad incandescenza convenzionali; � Accensione immediata e assenza di sfarfallio durante il funzionamento; � Vasto assortimento.

3.1 Produzione d’energia Elettrica Per produrre energia elettrica è fondamentale disporre di lavoro (albero rotante) per ottenere tramite un flusso magnetico indotto (statore con poli Nord-Sud ed avvolgimenti metallici sull’albero rotante) ai capi di tali avvolgimenti una differenza di potenziale elettrico (fem). Le centrali termoelettriche funzionano sempre a pieno regime, si fermano solo ogni 2-3 anni per manutenzione e quindi c’è molto spreco. Molto più interessante è la produzione istantanea delle centrali idroelettriche. Dal ’60 in poi non vengono più valorizzate le centrali idroelettriche per ragioni economiche e politiche. Adesso è possibile, in Italia, anche per i privati produrre en. el. e venderla all’Enel. 3.1.1 Centrale idroelettrica Descrizione molto semplificata di una tipica centrale idroelettrica: a monte, dove è possibile, si chiude un fiume con una diga e quando si vuol far defluire l’acqua per creare energia elettrica si aprono le paratie. L’acqua scende a valle nelle condotte forzate (grosse condutture di diametro 1-1,2 m e preferibilmente molto ripide) fino ad arrivare alla centrale. A valle c’è una turbina che muove l’albero, tagliando un campo magnetico si crea così una differenza di potenziale (stesso funzionamento della dinamo di una bicicletta, ad esempio). Equazione bilancio energetico per un kg di acqua tra la sez.1 (livello acqua nel bacino) e sez.2 (sbocco a valle all’ingresso in turbina): W2″-W1″ + g ( Z2 - Z1 ) + (P2 - P1) + R = L

2 r

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R è trascurabile, W1 = 0 circa perché l’acqua è quasi ferma. E’ importante il dislivello perché l’acqua nella condotta forzata scende velocemente e l’energia potenziale si trasforma in en. cinetica. Quando non è possibile utilizzare grandi dislivelli bisogna usare grandi portate d’acqua (centrale idroelettrica per basse cadute). L’obiettivo è quello di produrre lavoro (L) a spese di energia potenziale (caduta di livello) o cinetica, e con il lavoro prodotto far girare l’albero di una turbina. 3.1.2 Centrali termoelettriche Ogni volta che si brucia un atomo di carbonio (metano, petrolio, carbone) si emette CO2 (anidride carbonica) quindi inquinamento. Nelle centrali termoelettriche c’è bisogno di un combustibile che viene bruciato in una caldaia, e quindi emette gas e scorie. Nella caldaia, grande come una stanza, si produce vapore d’acqua (reazione esotermica). Il vapore esce dalla parte superiore della caldaia e viene buttato dentro, seguendo un breve percorso, ad una turbina a vapore. Nella turbina ci sono le palette fissate attorno ad un asse, alla fine del quale ci sono gli avvolgimenti elettrici e si produce en. el. Il vapore poi espanso nella turbina ha bisogno di essere raffreddato tramite un condensatore, per poi diventare acqua che viene ripompata in caldaia per ricominciare il ciclo. E’ facile che le centrali siano sul mare, ad esempio Porto-Tolle (FE) e La Spezia, perché possono utilizzare l’acqua di mare per raffreddare e perché è più semplice ricevere via mare il combustibile (petrolio o carbone). A Larderello non serve la caldaia perché si prelevano deal terreno i soffioni di vapore molto caldo. 3.1.3 Centrali nucleare (reattore ad uranio) Nel reattore nucleare avviene il bombardamento che produce una reazione esotermica e si produce en. el. nello stesso modo che nelle centrali termoelettriche. La caldaia è sostituita dal reattore, dove avviene una reazione controllata, mentre nelle bombe nucleari la reazione avviene a catena, senza controllo! 3.2 Problematiche riguardanti l’energia elettrica Circa un terzo del fabbisogno energetico italiano è consumato sotto forma di energia elettrica. Il nostro paese importa energia elettrica da Francia, Svizzera, Germania, Austria, Cecoslovacchia, Jugoslavia, Albania e Grecia. Verso alcuni paesi stranieri abbiamo anche delle esportazioni di energia elettrica, perché molte delle nostre centrali devono lavorare a ciclo continuo, e quindi in certe ore della notte hanno un surplus di produzione. Questa energia, però, la esportiamo quando la richiesta è bassa e dunque costa poco, mentre quando la importiamo lo facciamo nelle ore di maggiore richiesta e dunque a prezzi molto più alti. Questa situazione è il risultato di diverse scelte politico-economiche, ad esempio nel 1973 in conseguenza della primo conflitto arabo-israeliano si verificò una gravissima crisi petrolifera, durante la quale era un problema anche l'approvvigionamento di gasolio per i riscaldamenti di case e fabbriche. Questo avvenimento segnò uno spartiacque per la politica energetica mondiale. In Francia, per esempio, in seguito a quella crisi si decise l'adozione dell'energia nucleare per usi civili (elettrico). In Italia, il referendum del 1988 (?) decise per il no al nucleare. Il problema è sorto perché dopo il no al nucleare non si sono cercate alternative, ad esempio si sarebbero potute incentivare le centrali idroelettriche, così dal 1973 in poi le importazioni sono aumentate sempre più, in proporzione allo sviluppo del paese. La produzione di energia in centrali termoelettriche genera inquinamento, in genere gli scarti della produzione di energia sono ossidi di zolfo (SOx) e ossidi di azoto (Nox). Una volta liberati in atmosfera questi elementi reagiscono con il vapore acqueo portando così alla formazione di HSOx (acidi solforici) e HNOx (acidi nitrici), che sono altamente corrosivi. Le centrali

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immettono in atmosfera migliaia di tonnellate di queste sostanze, oltre ad elevate emissioni di CO2 che pare il principale responsabile dell'effetto serra. Le centrali idroelettriche, invece, non producono emissioni inquinanti e producono grandi quantità di energia, il loro unico inconveniente è l'elevato impatto ambientale dovuto alla chiusura di una valle e al suo allagamento. L'energia idroelettrica, in Italia è una risorsa sottosfruttata, infatti il paese è ricco di corsi d'acqua e bastano anche piccoli salti per produrre energia elettrica. Si potrebbero sfruttare anche dei microgeneratori, ossia piccole eliche che immerse in acqua corrente creano energia elettrica sfruttabile anche a dimensione modesta (quasi a livello familiare). La conseguenza di questa politica energetica è che mentre in media nel mondo petrolio e gas naturali soddisfano insieme il 25% del fabbisogno energetico, in Italia questa percentuale sale al 70-80%. Inoltre l'Italia, tra i paesi più sviluppati, è, insieme al Giappone quella più dipendente dall'estero per il suo fabbisogno energetico in generale, ed elettrico in particolare. L'argomento, comunque ha molte sfaccettature, e anche a posteriori non è facile dire quali siano state le scelte giuste e quali no. La Francia, ad esempio, in virtù dell'installazione sul suolo nazionale di centrali nucleari ora è quasi in pari con il bilancio energetico elettrico, ma qual è il prezzo da pagare per questo? Le centrali nucleari una volta avviate producono in continuazione, ma i prezzi e soprattutto i rischi sono elevati. Pertanto, attorno all’Italia vi sono molte centrali nucleari (in Francia, Svizzera, Croazia), per cui noi corriamo, assieme a loro, gli stessi rischi, senza averne i benefici! Per quanto riguarda le energie alternative, in generale non sono soluzioni risolutive. Il solare, l'eolico sono sistemi che presentano molti vantaggi, primo fra tutti quello di non inquinare, salvo l’impatto visivo, seguito dalla possibilità di produrre energia in loco e da molti altri, ma devono abbassare molto il loro prezzo per essere competitivi con gli idrocarburi. Inoltre un dato di cui bisogna sempre tenere conto è il fatto che l'energia elettrica è molto versatile e pregiata, ma nei vari passaggi: dalla sua produzione e dal trasporto ne vanno dispersi circa i due terzi. Dunque nella nostra presa di corrente elettrica arriva solo il 30% dell'energia primaria (in potenzialità), e di essa nella lampadina viene sfruttato solo il 2% per fare luce, dunque gli sprechi sono enormi, e ricordarsi di spengere sempre la luce quando non serve sarebbe già un bel risparmio (monito ricorrente dei nostri nonni negli anni ’50!). 3.3 L’energia elettrica in Italia Le centrali che producono en. elettrica in Italia sono suddivise nelle seguenti percentuali: il 32% brucia olio combustibile, il 20% sfrutta l'energia idroelettrica, il 36% brucia gas naturale, l'8% il carbone. Dal '90 ad oggi il numero delle centrali termoelettriche a carbone è in costante calo per i problemi di trasporto ed inquinamento che per questo materiale sono notevoli. Una possibilità di sfruttamento alternativo del carbone sarebbe quella del carbone gasificato, che comporta minor inconvenienti, ma, per ora rappresenta una fetta minima del mercato energetico. In Italia un 10% della potenza elettrica complessiva è generata dagli autoproduttori, principalmente con impianti di cogenerazione o di valorizzazione dei rifiuti. Ci sono anche alcuni autoproduttori nel settore idroelettrico, cioè gruppi di investitori che con il permesso dello stato creano il lago artificiale, costruiscono la centrale e poi utilizzano per sé o vendono l'energia prodotta. Le centrali idroelettriche italiane sono situate sulle Alpi, e, in misura minore, sugli Appennini. Analizzando i dati statistici sulla composizione della tariffa elettrica media nazionale si può notare come essa sia rappresentata per il 10,6% dagli oneri generali (1,2 cent/kWh), per il 41,5% dai costi fissi (generazione, trasporto, distribuzione - 4,75 cent/kWh), per il 38% dal costo dei combustibili (4,34 cent/kWh) e per il 9,9 % dalle imposte (1,136 cent/ kWh). Le prospettive per il futuro, dunque, non sono molto rosee, visto che l'attuale prezzo del petrolio è di circa 30 $ a barile, e tutto fa pensare che da ora in poi tale cifra non possa fare altro che salire. C'è inoltre da ricordare che l'Italia deve importare circa il 15% dell'energia elettrica che consuma.

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4. QUADRO NORMATIVO ENERGETICO Il problema energetico venne affrontato per la prima volta in ambito normativo a seguito della grande crisi energetica del 1973. La prima legge a riguardo è la 373 del 1976, con la quale si impose l'isolamento termico negli edifici di nuova fabbricazione. Nel 1977 vengono stabilite le aree climatiche a cui adattare la legge 373. Già in tale Legge si prevedeva il calcolo del fabbisogno termico da presentare in comune con i calcoli di Cd = coefficiente volumico di dispersione , di Cv = coefficiente volumico per la ventilazione , e di Cg = coefficiente volumico globale, allegati al progetto dell'isolamento e dell'impianto dell'abitazione. Nel 1982 questo obbligo fu esteso anche alle industrie, ed un’altra Legge (n.308), si favoriva e incentivava il contenimento dei consumi energetici e l'uso di energie rinnovabili. Nel 1983 viene pubblicata la legge 645 contenente disposizioni per l'esercizio degli impianti di riscaldamento che ne limitano l'impiego ad un numero massimo di ore. 4.1 Legge 10/91 e Decreti attuativi Le Leggi attualmente vigenti in campo di regolamentazione della produzione, del risparmio e dei consumi energetici sono le 9 e 10 del 1991. In tale anno esce la legge 9 contenente le norme per l'attuazione per il piano energetico nazionale. Questa legge riguarda i grandi consumatori di energia e dedica un capitolo agli impianti idroelettrici, uno agli idrocarburi, di cui incentiva la ricerca sul suolo nazionale, e così via fino al capitolo in cui sancisce delle norme per gli autoproduttori di energia elettrica e per gli enti locali. Sempre del 91 è la legge 10 i cui primi due articoli hanno l'obbiettivo di migliorare i processi di produzione, di imporre un uso razionale dell'energia, di contenere i consumi, di sviluppare le fonti rinnovabili. Il terzo articolo specifica che per fonti rinnovabili si intendono: l'energia solare, eolica, idraulica, geotermica, quella dovuta alle maree e al moto ondoso, quella proveniente dalla trasformazione termica dei rifiuti, la cogenerazione e le fonti assimilate. Nella Legge 10/91, un capitolo molto importante, e complesso, a questo proposito è quello riguardante la climatizzazione degli edifici, ed in particolare il loro riscaldamento invernale, ed i sistemi per evitare le dispersioni di calore attraverso l'involucro. La Legge 10/91 è la Legge quadro che ha fissato gli obiettivi del PEN (Piano Energetico Nazionale); per l’attuazione rimanda a decreti incentrati su due obiettivi: sistema edificio e sistema impianto. Mancano però ancora i decreti riguardanti l’art. 4 comma 1-2, che riguarda le tipologie degli edifici. E’ stato emanato il Decreto che riguarda gli impianti, ma non è sufficiente un buon impianto per sopperire ad una cattiva progettazione. Per la Legge Bassanini la certificazione energetica è diventata di competenza regionale, di recente (Dic. 2002) è stata emanata al riguardo anche una Normativa Europea, che dovrà essere recepita entro tre anni. Il settore residenziale e commerciale rappresenta il 40 % dei consumi totali e questo riguarda soprattutto gli edifici. 4.2 Terminologia Concetto di edificio: spazio delimitato da un involucro riscaldato con energia da un unico impianto. Solitamente abbiamo un condominio ed ogni appartamento ha la propria caldaia, quindi si hanno vari edifici con diverse condizioni termiche oppure posso avere casi con impianto centralizzato. Zona termica: l’impianto deve permettere di considerare e gestire in modo diverso le varie zone termiche. Per il DPR 551 è obbligatorio che ogni alloggio o unità immobiliare abbia un impianto indipendente con propria termoregolazione e controllo dell’erogazione effettiva.

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Libretto di impianto e/o di centrale: ogni caldaia deve averlo, e ogni due anni si deve registrare il controllo del tecnico per quelle più piccole < 35 kW; ed ogni anno per quelle di potenzialità maggiore con il libretto di centrale. 4.3 Decreti attuativi Il DPR 412/93 regola la parte impiantistica e introduce alcuni nuovi fattori, è stato poi in parte rivisto dal DPR 551/99. I decreti rimandano ad una normativa tecnica che non ha cogenza a meno che non sia richiamata da un decreto, norme UNI10300, altrimenti sono facoltative. Ovviamente averle rispettate, in caso di problemi pone il progettista a riparo da rischi. Così nel 94 vengono rese cogenti le norme UNI che riguardano l'argomento. Per quanto riguarda il sistema edificio-impianto, la normativa, oltre al Cd lim, ha introdotto nuovi parametri di verifica: � FEN fabbisogno energetico normalizzato � η g rendimento globale dell’impianto Cd coefficiente volumico di dispersione per trasmissione . Secondo la legge attuale il coefficiente volumico di dispersione limite (Cd lim) dipende dal rapporto tra la superficie lorda disperdente e il volume, e dai gradi giorno (GG). I gradi giorno sono una unità di misura convenzionale che è indice della rigidezza del clima di una certa zona (ad esempio a Firenze si hanno 1800 GG). Il volume da riscaldare e la superficie esterna disperdente, dunque, sono dati fondamentali per tali limitazioni. Infatti maggiore è il volume maggiore sarà l'energia necessaria a riscaldarlo. E' per questo che in Trentino, dove il clima è rigido, per il risparmio energetico la regione impone un limite massimo per l’altezza dei soffitti di locali abitativi di 2,5m. A parità di volume contenuto, la superficie disperdente minore è la sfera, infatti gli igloo funzionano bene nei climi polari perché hanno forma emisferica. Le ultime disposizioni sul Cd limite impongono un valore molto basso, quindi nel progettare nuovi edifici bisogna isolare molto. E' importante ricordare che una volta che si è deciso di applicare uno strato di isolante, dal punto di vista economico-prestazionale è un errore prevederlo sottile, visto che il prezzo del materiale è modesto a confronto della manodopera richiesta per la sua posa (che è ciò che più incide sul costo), e questa è la stessa per qualunque spessore. La legislazione riconosce un ruolo molto importante anche alla ventilazione con aria esterna, ed introduce il coefficiente Cv = coefficiente volumico per la ventilazione con aria esterna. Inoltre il legislatore fissa dei limiti minimi per il ricambio d'aria con il valore n che indica il numero dei ricambi del volume d'aria dell’ambiente per ogni ora (vol/h). Per le abitazioni il valore di n è di 0,5 mentre per i luoghi pubblici è 5. Vale a dire che in un luogo pubblico in un ora nell’ambiente in questione deve passare una quantità d'aria nuova pari a cinque volte il volume della stanza stessa. La legge 373 già prevedeva una riduzione di Cd in funzione del rapporto tra superficie disperdente e volume e dei GG. La legge 10 del 91 introduce un ulteriore abbassamento del valore limite di Cd ed un'altra modifica al rapporto S/V. Altre indicazioni di questa legge sono il miglioramento del rendimento degli impianti, l'incremento della massa efficace delle strutture, il miglioramento del fattore di utilizzo degli apporti energetici gratuiti, l'adozione per lo svolgimento di certi calcoli della temperatura operante ( che tiene conto anche dell'irraggiamento) al posto di quella dell'aria. Per la legge 10, dunque, in un progetto il Cd di calcolo deve essere minore del Cd limite, ed il FEN (fabbisogno energetico normalizzato) di calcolo minore del FEN limite. Il FEN si misura in J/ m≥ °C giorno, e si ottiene attraverso una serie di formule da scegliere a seconda del volume da riscaldare. Il calcolo subisce delle variazioni per edifici con volume riscaldato superiore a 10000m3.

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Il procedimento di calcolo stabilito dalla legge 10 prevede: l'individuazione di parametri climatici quali l'area geografica, da cui si ottengono i gradi giorno, la temperatura media esterna mensile, la temperatura operante (che dipende dalla categoria di uso), l'irradiazione solare, la velocità e la direzione prevalente del vento; inoltre prevede la suddivisione dell'edificio in zone caratterizzate dalla temperatura o dalla destinazione d'uso, il calcolo dei Cd secondo le norme UNI 7357, il calcolo dei valori mensili dell'energia Q1 scambiata per trasmissione e ventilazione attraverso il contorno di ciascuna zona. Semplificando si può dire che FEN = Q [ KJ/ m³ °C g] (θi - θem)NV Con : Q = fabbisogno energetico primario per il riscaldamento dell'edificio θi = temperatura interna di progetto θem = temperatura media stagionale esterna N = numero di giorni del periodo di utilizzo del riscaldamento V = volume lordo dell'edificio da riscaldare Il valore di Q viene fornito dalla UNI 10344 Per affrontare il problema delle dispersioni sia la Legge 373, prima, che ora la Legge 10 introducono il "coefficiente volumico di dispersione termica" Cd definito con la seguente formula: Cd = Qd = Σ Ki Si ∆ti + Σ Klj ∆tj ( W / m3 °C ) V ∆t V (Ti - Te) Dove Qd = quantità di calore dispersa nell’unità di tempo (J / s = W) V = volume dell'ambiente riscaldato (m3) Ki = coefficiente globale di scambio termico dell’elemento disperdente i-esimo

(es. pavimento, finestra, parete, ecc.) (W / m2 °C) Si = Superficie dell’elemento i-esimo (m2) Cd = dispersione termica dell'involucro (W / m3 °C) Cv = dispersione termica dovuta al ricambio d'aria (W / m3 °C) αi , αe = coeff.di scambio termico superficiale interno ed esterno (W / m2 °C) λi = coeff. di conduttività termica dell’elemento i-esimo (W / m °C) Ck = coeff. di conduttanza termica per gli strati non omogenei (es. solaio in

laterocemento) (W / m °C) Alcuni articoli del DPR 412 � art.2 divide l’Italia in zone climatiche da A a F.

Ad esempio Firenze è nella zone D che prevede l’accensione del riscaldamento per 12 ore giornaliere dal 1° Novembre al 15° Aprile.

� art.3 divide gli edifici per categorie. � art.5 definisce η g. � art.8 definisce la limitazione del consumo- concetto di FEN.

Verifiche richieste dalla legge: � η g > o = η g lim � FEN < o = FEN lim � Cd < o = Cd lim

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Q: energia primaria necessaria per produrre calore, nella trasformazione si perde sempre una parte di energia. Il rendimento dipende dalla caldaia, dalla regolazione, dalle dispersioni, dall’isolamento delle tubazioni; il rendimento medio stagionale del sistema impianto è il prodotto dei singoli rendimenti. FEN = ___Q___ ∆t * N*V N = numero dei giorni del periodo convenzionale di riscaldamento V = volume lordo riscaldato FEN lim = [ ( Cd lim + 0.34 n ) – Ku ( 0.01* I + θ) ] 86.4 dθ m dθn ηg lim 4.4 Isolamento Termico Le tecniche per realizzare una parete isolata termicamente sono molteplici. In generale ci sono alcuni accorgimenti che consentono di ottenere buoni risultati, ad esempio spesso conviene aumentare leggermente lo spessore dell'isolante e non predisporre una camera d'aria, infatti all'interno di essa si innescherebbero dei moti convettivi che non permettono un isolamento altrettanto efficace. Inoltre nel progettare una parete è importante ricordare che la quantità di materiali isolanti usata incide in maniera minima sul prezzo della costruzione, visto che nel loro caso è la messa in opera a costituire la vera spesa. Dunque se si decide disporre nelle pareti degli strati di materiale isolante conviene prevederne uno spessore abbondante, in modo da essere sicuri del risultato a fronte di un aumento di spesa minimo (vedi tabelle Norme Europee allegate). Ad esempio progettare una parete con 2 cm di isolante significa spendere molto per la sua messa in opera ma ottenere risultati modesti , mentre con un ulteriore spessore di 2-3 cm il risultato sarebbe stato molto migliore a fronte di un aumento di spesa irrisorio. Un altro dato importante è quello relativo al vetro-camera che mediamente dimezza la dispersione delle superfici vetrate. Se analizziamo due locali identici come dimensioni ma dei quali uno è stato progettato prevedendo l'isolamento termico, mentre l'altro non è isolato si nota come il locale isolato disperda meno di un terzo del calore dell'altro, cioè si risparmia facilmente il 65-70%. Dunque per ottenere le stesse condizioni ambientali nei due ambienti, quello non isolato necessiterebbe di radiatori più grandi e caldaie più grandi che, oltre ad occupare più spazio consumerebbero di più ed inquinerebbero di più. Facendo questo esperimento in un clima tipicamente padano, in cui consideriamo la temperatura esterna pari a -5° C la temperatura superficiale interna della parete non isolata sarebbe di 16°C, mentre su quella isolata ne registreremmo 19°C. Dunque la differenza sarebbe di circa 3°C, ma non modesta per gli scambi termici per irraggiamento. Infatti, la formula di cui dobbiamo tener conto in questi casi, secondo gli scambi per irraggiamento, è la seguente: Q1 = S F [ (Tc2)2 -( Tmr2)2 ] Dove: S = superficie esposta del corpo umano F = fattore di vista del corpo umano nell’ambiente Tc = temperatura del corpo umano in gradi Kelvin (35°C + 273 = 308 K) Tmr = temperatura (Kelvin) media radiante delle superfici dell’ambiente “viste” dal corpo umano (circa 15-19°C, cioè 288-292K)

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Ne deriva che più il corpo è vicino ad un corpo freddo, es. vetro semplice di una finestra, maggiore è lo scambio quindi il corpo si raffredda molto. Si nota come in questa formula le temperature (Kelvin) compaiano elevate alla quarta potenza, quindi anche la differenza di soli tre gradi misurata nel caso di cui sopra diventa molto importante. In materia di isolamento termico un altro argomento di grande importanza sono i ponti termici. Il caso più frequente si verifica all'intersezione tra i solai e le pareti dove spesso nei progetti meno attenti si verificano interruzioni degli strati isolanti, ma situazioni analoghe si possono verificare anche in corrispondenza delle spallette e degli architravi delle aperture, o dei pilastri esterni. I ponti termici sono dannosi in quanto portano alla formazione di zone di forte dispersione termica in corrispondenza delle quali la temperatura è minore rispetto a quella del resto della parete, e talvolta in misura sufficiente a far condensare il vapore acqueo contenuto nell’aria, tanto che a lungo andare genera umidità e muffe. L'unica contromisura contro questi inconvenienti è la realizzazione di uno strato isolante continuo sull'intera superficie muraria a contatto con l'esterno, sia in fase di progetto che realizzativa. Questa soluzione risulta di facile realizzazione nelle nuove costruzioni, dove può essere prevista sin dalla fase di progetto, mentre risulta più problematica negli interventi su edifici esistenti. In questi casi si adottano pannelli isolanti da incollare alle pareti, che in genere vengono posizionati all'interno dell'edificio. Questa soluzione offre il vantaggio dal punto di vista progettuale di poter intervenire solo su alcune zone, ma è meno efficiente dal punto di vista termico. L'adozione di sistemi di isolamento termico su edifici esistenti rientra nella lista degli interventi finanziabili dallo stato in quanto appartenenti alla categoria a (vedasi L.10/91 , art. 8, tab. A ). L'adozione di uno strato isolante è consigliabile anche se ho grosse pareti di pietra, inoltre può essere usato anche per suddividere aree di uno stesso alloggio con destinazioni d'uso diverse. Gli interventi migliori in assoluto sotto il punto di vista dell'isolamento termico (anche nel recupero edilizio quando è possibile) sono quelli che prevedono di fissare l'isolante all'esterno e di rivestirlo con una rete plastica che faccia da supporto all'intonaco plastico. Quest'ultimo, infatti, ha la caratteristica di lasciare uscire il vapor acqueo pur rimanendo impermeabile alla pioggia. Questo tipo di soluzione è detta "a cappotto", poiché riesce a coprire con lo strato isolante tutte le zone, sia correnti che d’interazione. Un'altra soluzione alternativa è la parete ventilata che è come la precedente ma invece di avere l'intonaco posato direttamente sul manto isolante, prevede un rivestimento staccato e sostenuto mediante ganci o staffe metalliche. Questo tema può subire diverse varianti quali l'adozione di camere d'aria ventilate che in estate impediscono l'ingresso di aria calda. Queste camere d'aria basano il loro funzionamento sul fatto che lo strato esterno, irraggiato dal sole scalda l'aria presente nell'intercapedine, ed essa diventa più leggera tende a salire per poi uscire dall'alto. In questo modo non stando ferma l'aria non ha il tempo di trasferire il suo calore alla parete. In inverno, invece l'aria sta ferma e il sistema funziona come un semplice muro a camera d’aria. In questa situazione, però la circolazione dell'aria ridurrebbe il potere isolante del sistema nelle giornate particolarmente ventose, ed il suo funzionamento risulterebbe fortemente compromesso, pertanto è bene prevedere artifizi costruttivi che consentano la chiusura della lama d’aria. Per garantire un buon funzionamento di questo sistema è necessario che la parete esterna sia costruita con un materiale conduttivo così la circolazione si innesca velocemente. Questo principio è lo stesso che sta alla base del tetto ventilato, una delle soluzioni migliori per l'isolamento delle coperture. Un'altra considerazione importante è che i materiali isolanti non sono in grado di garantire inerzia termica, in quanto hanno massa molto piccola, dunque è sempre bene abbinarli a pareti massive in modo che, soprattutto per i periodi caldi l'inerzia sia garantita. Ricordarsi che l’isolante termico risulta efficace nel periodo invernale, ma in modo assai modesto in quello estivo. Nell’ edilizia bioclimatica è importante il coefficiente ηu, cioè il coefficiente di utilizzo delle risorse gratuite. A questo riguardo gioca un ruolo importante l'inerzia termica dell'edificio che è una diretta conseguenza della sua massa. Infatti maggiore è la massa maggiore sarà la capacità di accumulo, così se un muro è in grado di immagazzinare il calore quando ne ha a disposizione lo restituirà progressivamente

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quando la temperatura cala. Per fare questo è necessaria una certa massa, infatti una roulotte non disperde calore perché è molto isolata, ma non ha inerzia termica perché le sue pareti sono molto leggere. La legislazione regionale dell’E. R. fornisce anche la formula per calcolare il fattore di inerzia termica i. 5. L'ENERGIA SOLARE 5.1 Caratteristiche L'energia del sole si trasmette attraverso il fenomeno dell'irraggiamento, che, come noto avviene attraverso onde elettromagnetiche che non hanno bisogno di un mezzo per propagarsi, e quindi possono farlo anche nel vuoto. Gli effetti termici si hanno per lunghezze d'onda dell'ordine dei micron. Lo studio dell'energia solare si basa sulle leggi dell'irraggiamento: si noti come per i corpi neri la legge di irraggiamento sia: Q =I○ S = σ○ S ( T²)² dove I è il potere emissivo integrale , S è la superficie del corpo e T è la temperatura termodinamica (in scala Kelvin) del corpo. Dunque la quantità di calore è sempre proporzionale alla superficie moltiplicata per la temperatura elevata alla quarta potenza, il che comporta che anche una differenza di pochi gradi ha un grande effetto. Il comportamento del sole si può assimilare a quello di un corpo nero alla temperatura di 5762 K, ma gli effetti di tale radiazione sono leggermente smorzati dall'atmosfera terrestre che agisce come un filtro. La gran parte dell'energia solare arriva sulla Terra attraverso i raggi infrarossi , e comunque l'intera quantità di energia solare arriva con onde di lunghezza d'onda (λ) compresa tra 0 e 2,5 micron: vediamone ora le caratteristiche per intervalli di λ : - tra 0 e 0,36 micron la zona degli ultravioletti,

- tra 0,36 e 0,78 micron si ha l’energia luminosa (luce bianca naturale), - tra 0,78 e 2,5 micron zona degli infrarossi, responsabili della trasmissione dell’en. termica .

N.B. 1 Buco Ozono Nel campo degli ultravioletti, il compito dell'ozono (O3) è importantissimo, perché è quello di assorbire onde elettromagnetiche soprattutto nella fascia tra 0 e 0,3 micron, appunto quella dei raggi ultra violetti che , in dosi eccessive, sono molto dannosi per la vita umana (sono responsabili di tumori alla pelle). La formazione del buco dell'ozono è in gran parte causata dalle catene di idrocarburi usate come gas frigoriferi contenenti fluoro. I gas incriminati sono i fluorocarburi, in particolare quelli della catena del freon . Sono stati messi al bando, ma erano usati in molti campi, dunque prima che tutte le applicazioni in cui erano previsti diventino obsolete e vengano sostituite devono passare ancora molti anni. Il meccanismo per cui si forma il buco dell'ozono è il seguente: quando i frigoriferi, (o gli impianti di condizionamento casalinghi o delle auto, o alcuni materiali isolanti contenenti fluorocarburi ) invecchiano, il fluido frigorigeno si disperde in atmosfera. I fluorocarburi contengono il fluoro che per la sua forte tendenza ad attirare l'ossigeno, si dice che "mangia l'ossigeno". Così quando queste sostanze raggiungono la fascia dell'ozono, la cui formula è O3, il fluoro assorbe un atomo di ossigeno trasformando l'ozono in ossigeno puro O2. In questo modo la progressiva emissione in atmosfera di fluorocarburi consuma lentamente il filtro dell’ozono del nostro pianeta ai raggi ultravioletti. N.B.2 Effetto Serra Un altro fenomeno di cui si parla molto è l'effetto serra: esso è dovuto al fatto che alcuni materiali (es. vetro, fogli di plastica) sono trasparenti alla luce solare, cioè all’energia incidente nelle lunghezze d'onda comprese tra 0 e 2,5 micron.

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Dunque attraverso un vetro può passare, ad incidenza perpendicolare o ad essa prossima fino a 40 gradi, fino al 90% dell'energia solare. Una volta entrata questa energia colpisce i vari materiali contenuti nella serra e li scalda. Gli oggetti, una volta scaldati, riemettono radiazioni con lunghezze d'onda maggiori, ma il vetro, però, a queste radiazioni non è più trasparente, e quindi non le lascia uscire ed esse continuano a scaldare l'interno della serra. Questo effetto è utile e voluto nelle serre dei vivai perché permette alle piante di crescere più velocemente. L'effetto serra in atmosfera è basato sullo stesso principio, e sono gli strati trasparenti dell'atmosfera stessa a svolgere il ruolo del vetro che prima lascia passare la radiazione solare e poi non permette alle radiazioni riemesse dalla materia scaldata di uscire. Dunque è un effetto che è sempre esistito in natura, ma negli ultimi anni la situazione è cambiata, soprattutto per l'aumento dell ‘anidride carbonica (CO2) e di altri gas inquinanti in atmosfera, dovuto alle emissioni delle società industrializzate. La CO2, infatti, ha dei valori molto alti di assorbimento della radiazione solare, così l'emissione costante di migliaia di tonnellate di CO2 fa aumentare l'assorbimento e dunque il riscaldamento, e con esso la quantità di radiazioni che non sono più in grado di uscire dall'atmosfera. La CO2 deriva da tutti i processi che coinvolgono il carbonio, dunque il processo che ne produce di più è la combustione degli idrocarburi. Conclusioni : l'intera società industriale è basata sulla combustione degli idrocarburi, ed il loro consumo è in continuo aumento in tutto il mondo, quindi è necessario trovare una soluzione. La prima risposta a questo problema, anche se non decisiva, è la più semplice, e l'unica immediatamente attuabile da ognuno, cioè il risparmio energetico. Molta dell'energia consumata nel mondo attualmente viene inutilmente sprecata, spesso inconsapevolmente o per semplice ignoranza del problema . Dunque se, anche attraverso campagne informative di sensibilizzazione, si riuscisse a far sì che ognuno stia attento ad accendere gli elettrodomestici o il riscaldamento solo quando è necessario, o ad isolare in maniera efficace gli edifici in cui trascorre le sue giornate sarebbe già un primo importante passo avanti per frenare le emissioni di CO2. Infatti anche se lo spreco giornaliero di ogni singolo individuo può sembrare marginale, questo va moltiplicato per miliardi di persone, dunque si capisce come ogni contributo sia importante. Il passo successivo, molto più complesso e meno immediato, sarà la progressiva diffusione di sistemi basati sull'energia pulita, in modo da azzerare le emissioni dannose. Questo traguardo è ancora molto lontano, ma già da adesso è possibile muoversi in questa direzione, iniziando a progettare tenendo conto di queste problematiche. 5.2 Utilizzazione dell’energia solare Il Sole può essere sfruttato a proprio vantaggio nella progettazione di edifici. Per progettare un edificio che tragga vantaggio dal Sole bisogna in primo luogo saperne la latitudine (l'Italia è tutta compresa tra 36° e 48° di latitudine Nord), la longitudine e l'orientamento, in modo da poter decidere di conseguenza la disposizione degli ambienti e di eventuali pannelli solari. Anche la quota sul livello del mare gioca, per quanto riguarda l'irraggiamento un ruolo importante, infatti minore è la quota maggiore è lo spessore di atmosfera che i raggi devono attraversare, e di conseguenza sarà minore la quantità di radiazioni che arriva a terra. Ad esempio è importante tenere conto del fatto che le stanze rivolte a Nord non avranno mai irraggiamento diretto, ma riceveranno soltanto luce diffusa. Al contrario l'esposizione a Sud garantirà un soleggiamento diretto e medio durante tutto l'arco della giornata, mentre i grafici dell'esposizione ad Est e ad Ovest sono simmetrici , dunque ad Est avremo un forte irraggiamento mattutino , e ad Ovest i raggi arriveranno il pomeriggio e la sera . A questo proposito non è consigliabile progettare edifici con camere da letto rivolte ad Ovest, in quanto l’irraggiamento solare diretto agirà scaldando tale camera poco prima che si vada a letto, creando disagio estivo agli utenti. Situazioni come questa , se conosciute , possono essere sfruttate con vantaggio , infatti

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in un clima freddo avere il sole che riscalda la camera poco prima di dormire è una cosa positiva , ma sarà negativa in un clima caldo, soprattutto in estate . Anche il modo in cui vengono progettate le aperture, cioè di solito le abituali finestre, influisce in maniera determinante sul benessere e sui consumi in un edificio. Un esempio per tutti è quello degli shed usati nelle fabbriche . Molte di queste aperture venivano orientate verso Nord poiché si voleva evitare l'abbagliamento dei lavoratori causato dalla luce diretta . Questa soluzione, però , è molto dispendiosa perché richiede l’illuminazione artificiale quasi in continuità, e mentre l’apporto energetico solare è nullo , le aperture sono le zone termicamente più disperdenti dell'involucro di un edificio, ed inoltre gli shed si trovano in alto , dove sale l'aria calda. Dunque rivolgendo queste aperture a Nord si ha la situazione di massima dispersione del calore. Orientando gli shed verso Sud , invece , e dotandoli opportunamente di aggetti esterni e di rivestimenti interni o pannelli diffondenti , si raccoglie energia solare senza il problema dell'abbagliamento, e si limitano le dispersioni di calore, con un bilancio energetico ed illuminotecnico nettamente favorevole. Per ogni località sono disponibili in bibliografia i dati statistici climatici, in particolare è indicata la radiazione media mensile espressa in MJ/m2 . Il dato geografico più incidente per gli effetti che il Sole può avere sulla costruzione è la latitudine, infatti con essa varia l'inclinazione con cui i raggi solari la colpiscono . Il modo più antico di usare l'energia solare è il guadagno diretto , cioè quello che si ottiene semplicemente dal fatto che l’edificio , o un suo particolare componente , o gli oggetti che esso contiene vengono colpiti e dunque scaldati dai raggi solari. Qui gioca un ruolo importante l'inerzia termica , infatti la situazione più classica è quella che si verifica quando i raggi attraversano una finestra qualsiasi e incidono direttamente su: pavimento e pareti e gli oggetti contenuti nell'edificio in questione, ed indirettamente anche su soffitto e pareti interne. In questo caso tutte le superfici durante le ore di illuminazione assorbono calore che poi riemetteranno di notte con il calare della temperatura . Maggiore è la massa che viene colpita dai raggi solari , maggiore sarà il potere d’accumulo, e quindi il calore assorbito di giorno, e quindi quello poi riemesso di notte. A questo processo partecipano anche gli arredi e le finiture, ad esempio un colore più scuro assorbe di più . Questo permette di innalzare sensibilmente la temperatura e , quindi , di risparmiare sul riscaldamento nei climi freddi , quindi si dovrà aver cura di predisporre superfici trasparenti ed interni molto assorbenti. Per quanto riguarda le vetrate bisogna tenere conto che sono punti deboli per quanto riguarda l'isolamento termico, e quindi le loro dimensioni dovranno essere il risultato di una mediazione tra il bisogno di accogliere i raggi solari e quello di non far uscire il calore. Questo vale , come già detto , nei climi rigidi, invece in Sicilia ad esempio, ed ancor di più nei Paesi tropicali, ci si dovrà proteggere dal fenomeno di surplus di calore, specialmente in estate e di notte. Naturalmente esistono anche altri metodi di guadagno diretto più elaborati , ma che sono molto più vincolanti dal punto di vista prettamente distributivo, visivo ed architettonico . Il primo di questi sistemi è lo scambiatore aria-aria , che prevede il riscaldamento dell'aria da parte del sole in una serra, separata, dal locale che si vuole scaldare, mediante una parete. La parete potrà avere prese d'aria disposte in alto , in modo che l'aria scaldata nella serra salendo le raggiunga e possa entrare nel locale, e, a sua volta la serra avrà prese d'aria verso l'esterno disposte in basso, per la ripresa dell’aria dall’ambiente . Si genera così una circolazione per cui l'aria scaldata all'interno della serra sale ed entra nell'edificio lasciando il posto nella serra per nuova aria da scaldare. Questo sistema può anche avvalersi di un sistema di circolazione forzata dell'aria che ne migliora le prestazioni. Un altro sistema basato sullo stesso principio è il muro solare , che invece di prevedere una vera e propria serra è costituito da una superficie esterna vetrata con prese d'aria disposte in basso , disposta a poca distanza dalla parete vera e propria in modo da formare un'intercapedine in cui si scalda l'aria. La parete come nel caso precedente avrà le prese d'aria disposte in alto in modo da consentire all'aria calda di entrare nel locale da riscaldare.

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Un ulteriore evoluzione di questo tema è il muro di Trombe-Michel : in questo caso l'aria non è presa dall'esterno , perché è sempre l'aria interna a circolare riscaldandosi quando c’è irraggiamento solare . Questo sistema è costituito da una superficie vetrata priva di prese d'aria disposta all'esterno della parete vera e propria che invece è provvista di una serie di bocchette in alto e una in basso. In questo modo l'aria presente all'interno dell'intercapedine viene scaldata dai raggi solari , dunque tende a salire e ad entrare nel locale dalle bocchette disposte in alto . Questo fenomeno crea un risucchio dell'aria della stanza verso l'intercapedine attraverso le bocchette disposte nella parte bassa della parete . Inoltre la parete deve essere dotata di buona inerzia termica , in modo che di giorno , illuminata dal sole , assorba calore per restituirlo poi di notte . In questo modo è possibile operare con l’aria usufruendo degli stessi vantaggi del muro solare . Naturalmente questa soluzione presenta molte problematiche , infatti per essere funzionale al massimo la parete deve essere orientata verso Sud , ma questo significa avere delle ampie pareti cieche proprio dove l'illuminazione è migliore . Inoltre per essere captante la parete interna viene dipinta con colori scuri , che esteticamente non sono sempre facilmente accettati . Questo senza tenere conto dei problemi correlati alla pulizia ed alla manutenzione delle vetrate. Un'altra soluzione prevede la disposizione a Sud di serre addossate a muri massivi , in modo da garantire un buon rendimento termico, ma anche questa pone forti limiti alla libertà progettuale . La progettazione bioclimatica , dunque , deve tenere conto di moltissimi fattori, ed il Sole è il primo di questi , anche perché è il motore stesso del microclima della zona , che è il secondo fattore di cui tenere conto. Ad esempio in una valle sarebbe meglio evitare la cima perché troppo ventilata , ma anche il fondovalle perché è meno soleggiato e più freddo visto che l'aria fredda scende in basso. L'ideale è un semipendio rivolto verso Sud. Un elemento fondamentale in tutti i sistemi analizzati sopra è il comportamento della radiazione attraverso il vetro o le superfici trasparenti in genere. Quando la radiazione colpisce il vetro , infatti una parte di essa viene trasmessa, un'altra viene riflessa e la rimanente viene assorbita. La parte di energia trasmessa , riflessa o assorbita dipende dalle caratteristiche del materiale e dall'angolo di incidenza dei raggi solari sulla lastra. Infatti per un'inclinazione dei raggi fino a 45° rispetto alla normale, la percentuale trasmessa è molto alta (fino al 90-95 %) , e può variare a seconda della trasparenza del materiale o della sua pulizia , ma oltre questa inclinazione il vetro riflette via via la maggior parte della radiazione incidente. Il vetro è un materiale che si ottiene dalla silice, e a seconda della percentuale di ossidi di silice e di altri componenti chimici presenti si producono vetri più o meno opachi. Il vetrocamera è costituito da due vetri con in mezzo aria, essiccata per evitare la formazione di condensa alle basse temperature , inoltre sui vetri si possono stendere pellicole antiriflesso o energetiche . Per quanto riguarda le pareti , invece , possono entrare in gioco molteplici fattori come i materiali , i colori , lo strato isolante o gli accorgimenti tecnici . La cosa più importante da ricordare è che all'aumentare della massa il muro trasmette meno il calore mentre la sua inerzia termica aumenta, dunque se la massa è molto grande il calore assorbito viene restituito molto più avanti nel tempo . Un altro elemento di cui bisogna tenere conto sono le ombre portate , che oltre all'importanza architettonica possono essere usate per evitare surriscaldamenti estivi . Nello studio delle ombre portate va considerato il loro spostamento nell'arco delle ventiquattro ore e nell'arco dell'anno. Gli aggetti , dunque , possono svolgere un ruolo importante per sfruttare le ombre , così come gli schermi, verticali o orizzontali, fissi o mobili, disposti in corrispondenza delle zone da ombreggiare. La posizione del nostro pianeta nella sua orbita intorno al sole e l'inclinazione del suo asse , oltre la latitudine, sono gli elementi che determinano l'inclinazione dei raggi solari sulla sua superficie ; le date fondamentali da conoscere sono i due solstizi e i due equinozi . Il solstizio invernale (21 Dicembre )segna nell’emisfero Nord la data con il dì più breve , mentre quello d'estate (21 Giugno) quella del dì più lungo; e nell’emisfero Nord , viceversa . I due equinozi (21 Marzo e 21 Sett.), invece, sono i due giorni dell'anno in cui il numero delle ore di luce è esattamente lo stesso delle ore di buio .

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Il massimo irraggiamento solare ottenibile su una superficie orizzontale nel mese più favorevole e con aria limpidissima è misurabile in 1100 W/m2. I coefficienti di utilizzazione sono molto minori di 1 , quasi sempre minori del 50% , dunque si dice che il Sole dà energia a bassa intensità, e quindi per avere grandi accumuli di energia servono grandi superfici captanti , che però costano molto. Il Sole , inoltre regola tutto il ciclo dell'acqua e quello della vita. Le precipitazioni avvengono quando il vapor d'acqua in aria condensa . Questo avviene quando un'alta concentrazione di esso si sposta in una zona con una temperatura favorevole . La temperatura dipende dal sole , ed era stato sempre il sole a far evaporare l'acqua delle riserve del nostro pianeta portando il vapor acqueo in atmosfera. Tornando a parlare di microclima si nota come in genere la temperatura salga con l'aumentare della densità abitativa . In città, infatti arriva meno vento, ci sono più attività , e tutto crea calore. Dunque secondo la legge se progetto in aperta campagna posso abbassare la temperatura esterna di progetto di due o tre gradi . Per stabilire la temperatura esterna del sito in cui progetto è importante l'altezza sul livello del mare. In genere si calcola un abbassamento della temperatura esterna di un grado ogni 200m , e questo dato vale in estate come in inverno. Ogni elemento della morfologia di un sito : il mare , i laghi , i venti predominanti o la presenza di montagne o colline, influenza il microclima, e quindi dovrebbe conseguirne una progettazione ad hoc. Nel considerare i carichi termici agenti su un edificio bisogna sempre ricordare che anche quelli interni influiscono . Infatti la presenza di lampade , elettrodomestici , persone , in un locale influiscono molto sulla temperatura. E se il contributo di un singolo individuo può essere trascurabile in un ambiente sufficientemente ampio, quello dell'intero pubblico di un cinema o di un palazzo dello sport può essere molto grande, per non parlare di luoghi in cui le persone compiono intensa attività fisica , o in cui sono in funzione grandi macchinari. Tutti questi contributi devono essere considerati dal progettista. La decisione di sfruttare l'azione del Sole in un edificio ne condiziona pesantemente il progetto in ogni sua fase . Esempi di edifici bioclimatici Un esempio lampante è quello della "piscina senza Nord" , la cui pianta è costituita da un triangolo con il vertice rivolto verso Nord e la base rivolta a Sud. Questa disposizione consente di non avere pareti esposte direttamente a nord , che sono quelle che generano la massima dispersione e che non ricevono mai direttamente la radiazione solare. La facciata a Sud è completamente vetrata , così in inverno il sole entra permettendo all'acqua (che ha un'elevata inerzia termica) e alle pareti interne di accumulare calore. La notte, invece vengono fatti scorrere sopra alle vetrate dei pannelli isolanti che impediscono al calore riemesso dall'acqua e dalle pareti interne di disperdersi. L'impianto, inoltre , prevede l' uso di collettori solari per fornire l'acqua calda alle docce. In una piscina la temperatura dell'aria e quella dell'acqua della vasca devono mantenersi sui 27-28°C , inoltre ogni giorno bisogna garantire un ricambio di almeno il 10% dell'acqua , il che equivale a buttare via acqua calda . Da questi dati si capisce che una piscina è un impianto che divora letteralmente energia, e come, tutti gli accorgimenti che consentono di risparmiarne, siano molto importanti. Un altro progetto realizzato è la scuola materna di Tredozio , una località nell’Appennino Tosco-Emiliano a 7-800 m slm . In questo caso è stato possibile realizzare l'edificio in maniera eco-compatibile grazie a sovvenzioni speciali , visto che il costo di un edificio di questo tipo è superiore di quello di un edificio tradizionale. Questo progetto prevede dei muri di Trombe-Michel rivolti a sud ed un ingresso munito di doppia porta . Inoltre il tetto sostiene una grossa "vela" che ospita 130 m2 di collettori solari inclinati di 60° rispetto all'orizzontale.

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Di fronte ai collettori una superficie di tetto piano è ricoperta da ghiaia chiara per creare un grosso albedo ( riverbero ). A nord sono disposti tutti i depositi ed i bagni . La zona di guadagno diretto è quella dei muri di Trombe-Michel , la cui superficie muraria è dipinta con una vernice verde selettiva , appositamente studiata per creare un maggiore effetto serra , mentre le ampie vetrate utilizzano il vetro camera ed hanno l'intelaiatura ridotta al minimo necessario a garantire la resistenza meccanica . In questo modo il vetro camera impedisce la dispersione termica, mentre le sottili intelaiature non creano ombre e non diminuiscono la superficie trasparente. Oltre alle bocchette del muro di Trombe-Michel il sistema dispone di un sistema di ventilazione forzata dell'aria interna che ne garantisce il ricambio richiesto dalla Norma vigente per le scuole. Altro progetto di un'altra scuola ,che si trova a Massa Finalese (MO) , ed è molto più grande, dunque è stata disposta in due corpi paralleli tra loro ed orientati a sud-est , visto che le aule hanno bisogno di luce ed energia solare soprattutto durante la mattinata. I due corpi di fabbrica sono disposti parallelamente ma a distanza tale da non farsi ombra tra loro . Il progetto , inoltre prevede dei corpi captanti disposti lungo le facciate, costituiti da serre collegate alle aule e leggermente schermate da setti - diaframmi della struttura , che , data la loro massa , fungono contemporaneamente da corpi di accumulo . Queste zone captanti sono costruite a sbalzo rispetto alla facciata , ma la loro forma è studiata in modo da generare il minimo possibile di ombra portata sulla facciata sottostante. Questa soluzione per essere completa avrebbe dovuto essere corredata da tapparelle isolanti con cui oscurare le serre , ma queste non furono inserite nel progetto per il loro costo , il che diminuisce l'influenza del sistema. La palestra , invece ha una falda del tetto completamente in policarbonato doppio in modo da garantire un'illuminazione abbondante , limitando la dispersione di calore. L'edificio , inoltre è dotato di un impianto per la circolazione dell'aria con un sistema di regolazione singolo per ogni aula , e di un sistema di collettori solari per la produzione dell'acqua calda delle docce e delle cucine. Un altro stratagemma per sfruttare energia naturale per migliorare la qualità climatica di un edificio, ma in questo caso per il raffrescamento estivo, è quello delle torri del vento. Ad esempio in Iran , esistono costruzioni tradizionali che sfruttano questo principio. Si costruisce la torre secondo la direzione dei venti dominanti , dotandola di aperture in quella direzione. L'aria, così entra forzata dal vento nella torre, e da lì viene convogliata in condutture sotterranee dove si raffredda. Da qui l'aria raggiunge il cortile dell'edificio da rinfrescare passando anche attraverso il getto di una fontana per umidificarsi. Un altro intervento molto riuscito è il palazzo per uso residenziale a BorgoTaro , a circa 6-700 m slm. Il progetto prevede una facciata sud con ampie superfici vetrate con zone a guadagno diretto sulle camere , serre a pianta trapezoidale con porta sulla sala da pranzo , e pannelli solari sul tetto . Il lato a nord , invece, è occupato dalle scale esterne situate in corpi chiusi che fungono anche da frangivento , dai servizi , e dalle cantinette al piano La parete che separa le serre disposte a sud dalla sala da pranzo è munita di bocchette, in cui è installato un piccolo ventilatore regolato da un termostato che permette l'ingresso di aria calda dalla serra-terrazzo. Quindi il funzionamento è semplice, basta regolare il termostato sulla temperatura desiderata , e quando l'aria nella serra la raggiunge , si aprono le bocchette ed entra in funzione il ventilatore.All'interno della serra il pavimento è bianco per riflettere la luce mentre la parete è scura per assorbirlo maggiormente. Il muro esterno è realizzato con blocchi di argilla espansa che danno massa, mentre per le strutture sono state usate cassaforme a perdere in materiale isolante, eliminando, così, i problemi legati ai ponti termici. 5.3 “Come funziona l’effetto serra”

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5.3.1.Trasmissione del calore per irraggiamento. L’elemento forse più importante dell’irraggiamento, che ci da la possibilità di sfruttare l’energia solare, risiede nel fatto che questo fenomeno non necessita di un mezzo per aver luogo, come è noto l’energia solare ci arriva anche attraverso il vuoto dello spazio. Qualsiasi superficie emette energia sotto forma di onde elettromagnetiche in funzione della natura della superficie e della sua temperatura, e contemporaneamente assorbe energia dall’ambiente circostante. L’energia che arriva ad una superficie può essere: assorbita, riflessa, trasmessa. Secondo la legge di conservazione dell’energia: a + r + t = 1 Energia assorbita/energia tot = coef. di assorbimento Energia riflessa / energia tot = coef. di riflessione Energia trasmessa / energia tot = coef. di trasmissione

Il corpo nero, modello ideale, si può identificare nel sole. Si definisce come quella superficie per cui: a = 1, r = t = 0, per qualsiasi lunghezza d’onda. Per il corpo nero vale la Legge di Stefan - Boltzman : q° = σ° x T 4 , dove q° è il potere emissivo integrale; ogni corpo emette energia a diverse lunghezze d’onda che nell’insieme danno q°. Inoltre σ° = 5.67 x 10-8 w/m2 K4. E’ possibile anche definire ε° potere emissivo specifico, ovvero l’energia emessa ad una data lunghezza d’onda. Quindi q° = ∫0,∞ ε° (λ, T ) dλ I corpi grigi si definiscono sulla base del modello offerto dal corpo nero, per essi si può definire il potere emissivo integrale: q = e x σ° x T4. Dove e è l’ emissività emisferica totale, un coefficiente compreso tra 0 e 1, in funzione della superficie e della sua temperatura. e = potenza emessa dalla superficie/potenza emessa dal corpo nero in eguali condizioni. Anche per i corpi grigi a + r + t = 1, tali coefficienti variano in funzione del materiale e della lunghezza d’onda; ad esempio vi sono materiali trasparenti a certe lunghezze d’onda ma opachi ad altre. Il vetro appartiene a questa classe; esso è trasparente alla radiazione solare che ci arriva a lunghezze d’onda minori di 2.5 micron ( 1 µm = 10-6 m ) , ma è opaco alla radiazione a lunghezza d’onda maggiore di 2.5 micron, riemessa dalle superfici circostanti. Sfruttando questa caratteristica possiamo riscaldare la serra e gli ambienti attigui. La Legge di Prevost, vale sia per corpi neri che grigi, dice che: q scambiata = q emessa – q assorbita dove q emessa = superficie che emette x potere emissivo integrale; q° per corpo nero e q per corpo grigio. La legge di Kirchoff, vale per tutti i corpi, dice che: ε (λ, T ) / coef assorbimento (λ, T ) = costante Ne deriva che e = a,ovvero una superficie tanto più emette e tanto più assorbe. L’energia solare ci arriva a diverse lunghezze d’onda che vanno dall’ultravioletto ( 0 – 0.4 micron ), al visibile ( 0.4 – 0.8 micron ), e infine l’infrarosso ( 0.8 – 2.5 micron ).

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Fig.1 Spettro della radiazione solare L’energia che parte dal sole non coincide però con quella che arriva a noi a terra, essa nel percorso subisce diverse perdite : sia ad opera dell’atmosfera, sia ad opera di varie rifrazioni e assorbimenti.

Fig.2 Bilancio energetico atmosferico

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“Serre solari e muri di trombe” 5.3.2. Sistemi a guadagno solare diretto o indiretto. Il fine da perseguire è quello, nel periodo invernale, di riscaldare aria da far circolare in alcuni ambienti dell’edificio per alleggerire le spese per il riscaldamento, e quindi diminuire le emissioni in atmosfera. D’estate vanno predisposte opportune schermature solari e vetri apribili per non aumentare il carico termico dell’edificio. 5.3.2.1 Serre solari a guadagno diretto e indiretto: Di giorno il sole scalda l’aria nella serra che può poi circolare negli ambienti attigui, e se la serra è a guadagno diretto il sole scalda direttamente le superfici degli ambienti interni. Di notte l’energia assorbita dall’involucro viene ceduta all’aria ambiente; attenzione però alle superfici vetrate che vanno opportunamente schermate per non avere eccessive dispersioni termiche. Ulteriori strategie: avere un pavimento della serra riflettente, di colore chiaro per massimizzare l’energia disponibile; ne caso di serra a guadagno indiretto avere il muro entro la serra verso la casa di colore scuro per massimizzare l’energia assorbita.

Fig.3, Fig.4: Sistema a guadagno solare diretto

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Fig.5 Serra a guadagno solare indiretto 5.3.2.2 Muri di trombe: Consiste in una intercapedine dal lato esterno vetrata e dal lato dell’edificio con un muro massivo in grado di accumulare calore, di solito il muro è di colore scuro per massimizzare l’assorbimento di energia solare. Nell’intercapedine l’aria di giorno si scalda, e sale per convezione verso l’alto, entra a “riscaldare” l’ambiente interno, dopo aver ceduto calore, l’aria riesce dalle bocchette in basso e torna a scaldarsi nell’intercapedine. Attenzione alla notte, si innescherebbe la convezione al contrario, determinando furto di calore all’ambiente interno; vanno disposte delle chiusure apposite sulle bocchette. D’estate il muro di trombe può essere aperto in alto per far uscire l’aria calda, inoltre una tenda esterna può coprire il pannello scuro.

Fig.6: la sporgenza del tetto si può calcolare in modo da fare ombra in estate

Fig.7: muro di trombe con o senza bocchette per ricircolo aria.

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“Orientamento delle serre e dei muri di trombe” L’orientamento consigliato è come per collettori solari e pannelli fotovoltaici, il Sud. Per quanto riguarda l’orientamento in fase di progettazione dell’edificio è bene fare attenzione alla destinazione d’uso dei locali, è consigliabile disporre a sud soggiorno, sala da pranzo, cucina…locali che potrebbero sfruttare la serra come loro ampliamento. Nello schema sottostante vi sono le orientazioni consigliate per edilizia residenziale.

Nel caso di serra solare addossata alle aule di una scuola, si può pensare anche ad un orientamento S-E, per sfruttare l’irradiazione solare e la luce già dalle prime ore del mattino. Dalle norme Uni 10349 e 10379 possiamo ottenere tutti i dati sull’irradiazione solare giornaliera media mensile, su superfici orizzontali, verticali…variamente esposte N, S, E, O..

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“Calcolo degli Apporti energetici gratuiti” fonte: Progettare con la legge 10/91 Cellai, Casadidio, pag.181-215. 5.3.3 Apporto energetico da energia solare: Qs = N ∑ j q s,j ( A e, i )* N = n° giorni del mese j = n° delle esposizioni i = n° delle superfici esposte q s,j = irradiazione globale giornaliera media mensile incidente sulla sup j. A e,i = area equivalente della superficie esposta i 5.3.3.1 Apporti energetici dovuti alla radiazione solare incidente sulla superficie interna dei componenti opachi attraverso i componenti vetrati : calcolo Qsi

Ae = Fs Fc Ff g 0.85 A Fs = fattore di schermatura dovuto a ostruzioni esterne Fc = coefficiente di riduzione dovuto a tende Ff = coefficiente riduttivo dovuto al telaio g = trasmittanza solare del vetro A = area del componente 0.85 = coefficiente riduttivo

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5.3.3.2 Per Serre solari: Vi sono due casi: a. lo spazio serra è riscaldato oppure c’è un’apertura continua verso l’ambiente interno, in questo caso

l’area da considerare è l’area tot esterna, b. esiste una parete di separazione serra – ambiente interno e la serra non è riscaldata, allora le

dispersioni si calcolano col metodo verso ambienti non riscaldati. Apporti solari entranti nello spazio riscaldato attraverso la serra, Qss ( *che andrà sommato a Qs) Qss = ξ Q sd + ( 1 + ξ ) Qsi Q sd = apporti solari entranti direttamente dalla parete di separazione Qsi = apporti solari indiretti, che rimangono nella serra ξ = H se / ( Hsi + Hse ) Hse = coeff. di dispersione globale per trasmissione e ventilazione tra serra ed esterno

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Hsi = coeff. di dispersione globale per trasmissione e ventilazione tra serra ed interno Q sd = qs Aed N = qs ( Fsp Fcp Fco Ffp gp g0 Ap ) N

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Qsi = qs Aei N = qs ( Fso Fco Ffo Ls g0 A0 ) N

0 = è il pedice relativo alla parete esterna serra p = è il pedice relativo alla parete che separa serra e interno Ls = coeff. di assorbimento della radiazione solare delle pareti interne della serra, pari a 0.7 Ap = area trasparente nella parete di separazione A0 = area esterna della serra “ Dalle serre dell‘800 alla progettazione supertecnologica” Il calore prodotto nelle serre viene sfruttato già da molto tempo, le serre nascono per orticoltura e fioricultura, e solo successivamente arrivano all’architettura civile.

Fig.8: Serra ’800 nel giardino dell’orticultura a Firenze. Già in Le Corbusier troviamo le primi inconsapevoli idee “bioclimatiche”: l’uso dei brise-soleil, l’attenzione alla luce naturale con orientamento studiato dell’edificio, studi sull’altezza del sole in estate e in inverno, le prime serre solari…

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Fig.9,10,11: Progetto Immeubles -Villas, 1922. Le Corbusier.

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Fig.12,13,14 : Unitè d’habitation a Marsiglia,1946 .Le Corbusier. Oggi la possibilità di sfruttare l’energia solare con serre e muri di trombe offre un’ampia gamma progettuale, dalla semplice chiusura con doppi vetri di balconi alla progettazione accurata di sistemi captanti.

Fig.15: Serra a guadagno solare diretto.

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Fig.16: Serra a guadagno solare diretto.

Fig. 17: Serra a guadagno solare diretto.

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Fig. 18 , 19 : Serre solari.

Fig. 20 , 21 : Tende estive per proteggere la serra.

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Fig. 22 : Serre a guadagno solare indiretto, a Salisburgo. Anche i grandi architetti di oggi sfruttano i guadagni solari, e non solo nell’edilizia residenziale; ne è un esempio Norman Foster nell’edificio per Commerzbank del ’97 a Francoforte. Qui Foster inserisce a più piani, più serre che ospitano vegetazione, e contribuiscono a “scaldare” l’edificio in inverno.

Fig.23: Commerzbank Fig. 24: pianta tipo del piano con serra

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Fig. 25 , 26 : giardino nella serra solare . “Qualche idea” Si potrebbe cerca di legare due tecniche bioclimatiche per il risparmio energetico : la serra solare e i pannelli fotovoltaici. Posizionano dei pannelli fotovoltaico sulla parte superiore della serra, otterrei dell’energia elettrica e contemporaneamente il calore prodotto dal surriscaldamento dei pannelli contribuirebbe a scaldare la serra; inoltre i pannelli fotovoltaici creano nell’ambiente una piacevole “ombra”. Nel periodo estivo adotterei delle schermature per la serra, e l’aria scaldata dai collettori non entrerebbe nella serra, ma verrebbe dispersa nell’ambiente esterno.

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Fig. 27 , 28 : edif